UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR. Departamento de Ciências Aeroespaciais PROJECTO DE AERONAVES /2002 AERONAVE DE OBSERVAÇÃO NÃO TRIPULADA

Departamento de Ciências Aeroespaciais

PROJECTO DE AERONAVES - 2026

2001/2002

AERONAVE

DE

OBSERVAÇÃO NÃO TRIPULADA

UAV02

ÍNDICE

1.

INTRODUÇÃO

Pretende-se projectar uma aeronave não tripulada (UAV) para observação (vigilância de incêndios, de linhas de alta tensão inacessíveis e da costa marítima, fotografia e filmagens, etc.). Este UAV deverá usar extensivamente polímeros e compósitos na sua construção. O veículo deve ser pequeno e leve, mas ter capacidade para transportar uma carga útil de 2,5 kg (equipamento fotográfico ou de vídeo, de aquisição e transmissão de dados, etc.). Deve considerar-se a simplicidade de construção e de manutenção para manter os custos de aquisição e de operação baixos.

O veículo será, também, um demonstrador de tecnologia do consórcio Plasdan (empresa de plásticos), Unidade de I&D Centro de Ciências e Tecnologias Aeroespaciais da UBI e Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Leiria do Instituto Politécnico de Leiria, que se vai formar para o projecto final e construção da aeronave.

Esta descrição do projecto apresenta os requisitos a que a aeronave deverá responder, em termos de missão, desempenho, sistemas e materiais. Também são descritas as tarefas necessárias realizar durante o semestre bem como o plano de trabalhos a cumprir. Este projecto requer dedicação e trabalho contínuo para que os prazos sejam cumpridos e resulte uma boa aeronave.

2.

REQUISITOS

Os requisitos para esta aeronave são apresentados abaixo. Não poderá haver qualquer modificação nos requisitos sem consulta do docente nem acordo de todos os grupos envolvidos no projecto.

2.1.

Missão

O UAV02 deverá ser projectado para realizar 1 tarefa principal.

O veículo deverá ter uma autonomia de pelo menos 1 hora em voo de cruzeiro lento, transportando uma carga útil de 2,5 kg. Também deverá ser capaz de voar a 2000 m de altitude.

A capacidade de pairar, apesar de não ser obrigatória, poderá ser uma mais valia na operação da aeronave.

Fase Duração

[min] Potência[%] Altitude inicial [m] Altitude final [m] Obs. Aquecimento e rolagem 15 50 0 0 eléctricos não

Descolagem - 100 0 15

Subida - 100 15 200

Voo lento 60 * 200 200

Aproximação - ralenti 200 15

Aterragem - ralenti 15 0

Rolagem 5 50 0 0 eléctricos não

Reservas 10 100 200 200

2.2.

Desempenho

A aeronave deverá demonstrar as seguintes prestações mínimas principais (ISA –

International Standard Atmosphere):

Velocidade máxima ao nível do mar 20 m/s

Tecto de serviço 2000 m

Tempo de subida até aos 200 m 2 min

2.3.

Motorização

Pode ser escolhido qualquer tipo de motor (alternativo, eléctrico ou turbina), tendo em conta o custo de aquisição e operação, bem como a potência específica (incluindo combustível e sistema de combustível) e o consumo específico. O motor deve ser fiável e a capacidade de ser reiniciado em voo será uma mais valia.

2.4.

Trem de Aterragem

O trem de aterragem do UAV02 pode ser fixo ou retráctil mas deve ser capaz de suportar impactos no solo de 4 g. Este deverá ser construído em alumínio ou compósito. A escolha da configuração do trem deve ter em conta a necessidade de operação em pistas pouco preparadas.

2.5.

Carga Útil

O veículo, como já mencionado, deve ter capacidade para transportar internamente uma (ou mais) câmara fotográfica ou uma (ou mais) câmara de vídeo e sistemas acessórios (pilotagem automática, aquisição e transmissão de dados, por exemplo), com uma massa de

pelo menos 2,5 kg, ocupando um volume mínimo de 5,5 dm3. A sua localização deve ser tal

que a visão para baixo e para a frente esteja desobstruída.

2.6.

Peso e Centragem

O passeio do centro de gravidade (CG) deve ser tal que não imponha qualquer limite de operação. O peso máximo à descolagem da aeronave deve, dentro das limitações da configuração, ser mantido o mais baixo possível.

2.7.

Materiais

Os materiais principais da estrutura serão os compósitos e polímeros tendo em atenção que o principal objectivo é manter simplicidade na construção e reparação, bem como peso e custos baixos, mas mantendo uma capacidade de acelerações normais de pelo menos +10 g e –10 g.

2.8.

Comandos e Sistemas

Todos os sistemas da aeronave devem ser eléctricos e mecânicos, actuados por servos eléctricos. A pilotagem deverá ser automática e os dados deverão ser enviados para terra em tempo real. Deverá existir uma câmara vídeo para pilotagem sem contacto visual com a aeronave.

2.9.

Normas

As restrições impostas ao veículo em termos de requisitos físicos estão mostradas na tabela abaixo (estes valores definem um aeromodelo). As normas de projecto a utilizar, no que respeita ao dimensionamento da estrutura, podem ser as JAR-22 ou as JAR-VLA que são mais rigorosas (asa fixa) e as JAR-27 (asa rotativa).

Todo o trabalho desenvolvido deve ter como objectivo principal a segurança.

Massa máximo em ordem de voo com combustível 25 kg Área máxima das superfícies sustentadoras 5,00 m2

Carga alar máxima 25 kg/m2

Cilindrada máxima dos motores de pistão 250 cm3 Tensão máxima, em circuito aberto, para motores eléctricos 42 V

3.

TAREFAS

Existem várias tarefas no projecto que devem ser realizadas segundo o calendário abaixo. Todos estes aspectos dependem uns dos outros, pelo que tem que haver uma inter-relação e actualização entre eles. Cada tarefa vai ficar sob a responsabilidade de um elemento, no entanto, é função de todos os elementos decidir a orientação a dar ao projecto e que tipo de aeronave se deve projectar (avião, autogiro, helicóptero, “misto”), bem como ajudar todos os parceiros quando necessário. Deve ser escolhido um chefe de equipa que será o coordenador das várias tarefas.

A maior parte dos cálculos podem ser realizados com o programa de computador Advanced Aircraft Analysis (AAA) da DarCorporation desenhado para projecto preliminar. É preferível realizá-los manualmente ou com a ajuda de folhas de cálculo. Os desenhos poderão ser realizados no AutoCAD da Autodesk ou no Aero-CAD da DarCorporation, sendo o segundo mais flexível em desenhos 3D. O elemento responsável pela configuração pode desenhar o modelo no CATIA V5 da Dassault/IBM.

3.1.

Configuração

A configuração do veículo deve ser escolhida de forma a permitir que os requisitos sejam completamente satisfeitos. Esta tarefa é de estrema importância porque deve integrar todas as necessidades das outras partes do projecto numa configuração viável. Deve ser realizado um estudo tridimensional preliminar de todos os elementos e integrá-los na estrutura.

3.2.

Aerodinâmica

O estudo aerodinâmico deve incidir na escolha dos perfis, geometria das superfícies

sustentadoras, carenagens, determinação das características aerodinâmicas (CL, CD e CM),

bem como garantir que as escolhas feitas no projecto não afectem negativamente a aerodinâmica. Também é necessário realizar um estudo de estabilidade e controlo.

3.3.

Desempenho

O sistema propulsivo (motor e sistema de alimentação) deve ser escolhido de acordo com o tipo de aeronave escolhido e os requisitos apresentados. Deve ser feita uma estimativa do desempenho (velocidades, tectos, tempos, consumos, etc.).

3.4.

Sistemas

Deve ser feito o estudo do trem de aterragem e do sistema de controlo. Componentes comercializados devem ser escolhidos, preferencialmente, para acelerar o processo de projecto e de construção. É necessário realizar uma base de dados com fornecedores, características de funcionamento, massas e preços dos componentes adoptados.

3.5.

Materiais e Construção

Os materiais para as diferentes partes da aeronave devem ser escolhidos adequadamente. Deve ser feita uma base de dados de materiais com fornecedores, características físicas, características mecânicas e preços. Deve ser realizado um estudo do processo de fabricação a usar, bem como estimativas do peso e centragem e do custo final da aeronave.

3.6.

Calendário de Tarefas

O quadro abaixo apresenta o calendário de tarefas do projecto que deverá, na medida do possível, ser cumprido.

Mês F. Março Abril Maio Junho Julho

Tarefa \ Semana 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Aulas Teóricas Configuração Aerodinâmica Desempenho Sistemas Materiais e Construção Apresentação Entrega do Relatório Legenda: Aulas teóricas

Trabalho a desenvolver durante o semestre Semanas sem aulas

3.7.

Grupos de Trabalho

Serão formados grupos de 4 alunos (preferencialmente) que desenvolverão um veículo para os requisitos apresentados. Os elementos de cada grupo deverão distribuir entre si as tarefas necessárias realizar e deverão tomar decisões em conjunto proporcionando uns aos outros a informação necessária, para que todo o projecto seja coerente. Este projecto requer bastante trabalho para ser terminado dentro do prazo.

Tarefa Grupo A Grupo B Grupo C

Configuração todos todos todos Aerodinâmica Ricardo Rosário Graça Santos Cristiana Marinho

Desempenho David Rulloda Ana Meireles todos

Sistemas Marco Xavier Kira Lopes Helder Barata

Materiais e Construção Paulo Vicente Carla Rocha Helder Neto

Tarefa Grupo D Grupo E Grupo F

Configuração todos

Aerodinâmica Guida Santos

Desempenho Paulo Castro

Sistemas Diogo Réu

Materiais e Construção Manuela Borges

4.

AVALIAÇÃO

A avaliação será feita baseada no trabalho demonstrado ao longo do semestre, na apresentação e no relatório final, onde será colocado grande ênfase nas decisões tomadas com vista ao cumprimento dos requisitos para o UAV02.

4.1.

Cooperação

Como mencionado anteriormente, a cooperação entre os elementos do grupo de trabalho vai melhorar o resultado final do projecto, pelo que o espírito de equipa também faz parte da avaliação.

4.2.

Apresentação

No final do semestre irá realizar-se uma apresentação onde cada grupo deverá apresentar aos outros o seu projecto. Na apresentação (07 de Junho – 15 semana), quando o projecto estiver praticamente concluído, cada grupo deverá mostrar aos outros que o seu projecto cumpre os requisitos, descrevendo os passos que levaram ao resultado final. Uma aeronave será escolhida, posteriormente, pelo docente e será mais detalhada em Projecto I.

Os parceiros do consórcio mencionado acima poderão ser convidados para a apresentação dos projectos.

4.3.

Relatório

Cada grupo deve redigir um relatório onde incluirá todos os passos relevantes no projecto da aeronave, incluindo configuração, decisões tomadas, cálculos, resultados, etc.. Deverão ser também incluídos todos os esboços e desenhos necessários para a compreensão do projecto, bem como as três vistas da aeronave.

O relatório deve ser entregue no dia do exame.

4.4.

Classificação

A admissão a Exame requer a aprovação em Frequência (F > 10), onde F = 0,60C + 0,40A. A classificação final é E = 0,25F + 0,75R.

1. Frequência (F) 14-06-2002 100

a. Cooperação (C) 60

b. Apresentação (A) 40

2. Exame de Época Normal (entrega de relatório) (E) 02-07-2002 100

1. Frequência (F) 25

c. Relatório (R) 75

3. Exame de Época de Recurso (entrega de relatório) (E) 20-07-2002 100

1. Frequência (F) 25

c. Relatório (R) 75

4. Exame de Época Especial (entrega de relatório) (E) 07-09-2002 100

1. Frequência (F) 25

c. Relatório (R) 75

5.

BIBLIOGRAFIA

Abaixo estão listados alguns livros que podem ser consultados para a realização deste projecto. Muita informação pode ser encontrada, também, na internet.

5.1.

Livro de Texto

01. Daniel P. Raymer, Aircraft Design: A Conceptual Approach, 3rd Edition, AIAA Education Series, 1999

5.2.

Livros de Projecto

02. Cláudio Barros, Introdução ao Projecto de Aeronaves – Volumes 1 & 2, CEA/UFMG, 1979

04. Denis Howe, Aircraft Conceptual Design Synthesis, Professional Engineering Publishing, 2000

05. Egbert Torenbeek, Synthesis of Subsonic Airplane Design, Delft University Press, 1982 06. Jan Roskam, Airplane Design – Volumes I to VIII, The University of Kansas, 1990 07. Ladislao Pazmany, Light Airplane Design, Pazmany Aircraft Corporation

08. L. R. Jenkinson, P. Simpkin, D. Rhodes, Civil Jet Aircraft Design, Arnold, 1999

5.3.

Outros Livros de Interesse

09. Abbot & Doenhoff, Theory of Wing Sections, Dover Publications Inc, 1959

10. Barnaby Wainfan, Airfoil Selection – Understanding and Choosing Arfoils for Light Aircraft, 1988

11. Barnes W. McCormick, Aerodynamics Aeronautics and Flight Mechanics – 2nd edition, John Wiley & Sons Inc, 1995

12. Bernard Etkin, Lloyd Duff Reid, Dynamics of Flight Stability and Control – 3rd edition, John Wiley & Sins Inc., 1996

13. Bill Clarke, The Cessna 172 – 2nd edition, Tab Books, 1993

14. Darrol Stinton, Flying Qualities and Flight Testing of the Airplane, AIAA Education Series, 1996

15. David A. Lombardo, Aircraft Systems –Understanding Your Airplane, Tab Books, 1988 16. Euroavia, Future Trainer Concept, 1999

17. Geoff Jones, Building and Flying Your Own Plane, Patrick Stephens Limited, 1992 18. Ian Moir & Allan Seabridge, Aircraft Systems, Longman Scientific & Technical, 1992 19. Jane´s All the World Aircraft, 1995

20. JAR-23, Joint Aviation Requirements for Normal, Utility, Aerobatic and Commuter Category Aeroplanes, 1994

21. JAR-27, Joint Aviation Requirements for Small Rotorcraft, 1993

22. JAR-VLA, Joint Aviation Requirements for Very Light Aeroplanes, 1990

23. Ladislao Pazmany, Landing Gear Design for Light Aircraft – Volumes I & II, Pazmany Aircraft Corporation, 1986

24. John Cutler, Understanding Aircraft Structures, Blackwell Science, 1999 25. Martín Cuesta Alvarez, Vuelo con Motor Alternativo, Paraninfo, 1981

26. Robert C. Nelson, Flight Stability and Automatic Control, McGraw-Hill, 1989 27. S. Hoerner, Fluid Dynamic Drag, Hoerner Fluid Dynamics, 1965

28. S. Hoerner, Fluid Dynamic Lift, Hoerner Fluid Dynamics 29. Stelio Frati, L’Aliante, Editore Ulrico Hoepli, Milano, 1946

30. Ted L. Lomax, Structural Loads Analysis for Commercial Transport Aircraft – Theory and Practice, AIAA Education Series, 1996

31. The Metals Black Book – Volume 1 – Ferrous Metals, Casti Publishing Inc, 1995 32. The Metals Red Book – Volume 2 – Nonferrous Metals, Casti Publishing Inc, 1995 33. T. H. G. Megson, Aircraft Structures for Engineering Students – 2nd edition, Edward

Arnold, 1990

34. Tony Bingelis, Firewall Forward – Engine Installation Methods, EAA Aviation Foundation, 1992

35. Tony Bingelis, Sportplane Construction Techniques – A Builder’s Handbook, EAA Aviation Foundation, 1992

36. Tony Bingelis, The Sportplane Builder – Aircraft Construction Methods, EAA Aviation Foundation, 1992